（纺织工程专业论文）染色机自动控制系统设计.pdf

摘要 以染色过程的温度跟踪控制系统为背景，针对温度对象动态范围宽，动态特 性随温度变化且存在结构变化，常规控制不能适应的特点，本论文设计了一套染 色机自动控制系统。在了解染色机系统结构，详细分析染色过程温度对象动态特 性的基础上，根据染色过程的实际温度和温度偏差，利用控制系统原理，用单片 机完成其内部温度、液位的检测与控制，并控制电动机的搅拌方向，以达到提高 工作效率和保证染色质量的目的。 该系统综合运用染色技术及基本原理、控制系统原理、单片机及其接口技术、 铂电阻温度传感器和霍尔传感器技术等。采用单片机为核心控制部件，系统由传 感器、运算器、a d 、d a 电路、存储电路和驱动单元等组成。主要完成数据的 采集、处理、分析与控制量输出，达到恒温、匀速升温、降温控制。 该系统体积小、性价比高、工作方式灵活多样，具有良好的扩展性能。 关键词：染色机；控制系统；单片机；传感器 a b s t r a c t al o o s es t o c kd y e i n gm a c h i n ea u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e t e m p e r a t u r et r a c kc o n t r o ls y s t e mo fd y e i n gp r o c e s s k n o w i n gt h ec o n s t r u c t i o no fd y e i n gm a c h i n e a n da n a l y z i n gt h et e m p e r a t u r ef a c t o rd y n a m i cc h a r a c t e ro fd y e i n gp r o c e s si nd e t a i ld u et ot h e c h a r a c t e ro ft h ew i d et e m p e r a t u r ef a c t o rd y n a m i cr a n g ea n dd y n a m i cc h a r a c t e rw h i c hc h a n g e s w i t ht e m p e r a t u r e b a s e do nt h ea c t u a lt e m p e r a t u r ea n dt e m p e r a t u r ew a r pi nd y e i n gp r o c e s s ，s i n g l e c h i vm i c r o c o m p u t e ri su s e dt om e a s u r ea n dc o n t r o li t si n n e rt e m p e r a t u r e ，l i q u i dl e v e ia n dt h e r o t a t e dd i r e c t i o no ft h em o t o rw i t hc o n t r o ls y s t e mt h e o r yt oi m p r o v ew o r ke 衔c i e n c ya n dd y e i n g q u a l i t y t h i sd e s i g nu s e si n t e r r e l a t e dk n o w l e d g eo fs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rp r i n c i p l ea n di n t e r f a c e t e c h n o l o g y , t h e r m a lr e s i s t a n c et e m p e r a t u r es e n s o ra n dh a l ls e n s o ra n ds oo n t h i sc o n t r o l s y s t e mu s e sm c u 5 lt ob ec o r ec o n u o lp a r ta n di n c l u d e sc o n t r o la n de x e c u t e dc i r c u i t s t h ec o n t r o i c i r c u i ti sc o m p o s e do fs e n s o r s ，a r i t h m e t i cu n i t ，a d ，d ac i r c u i ta n dm e m o r ys y s t e mt og a t h e r , a n a l y z ea n dp r o c e s st h ed a t at h e ne x p o r tt h ec o n t r o ls i g n a l s t h ee x e c u t e dc i r c u i ti sc o m p o s e do f t h eo p t i c a l e l e c t r i c a li s o l a t i o na n dt h ed r i v e ru n i t i tr e c e i v e st h ec o n w o ls i g n a lt h e nc o m p l e t e s s p e c i f i cw o r k t h i ss y s t e mi ss m a l la n dl i g h t , h a sh i g hp e r f o r m a n c e - p r i c er a t i o ，a n dt h e e x p a n s i b i l i t yi sv e r yg o o d k e yw o r d s ：d y e i n gm a c h i n e ；c o n t r o ls y s t e m ；s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ；s e n s o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：) 沙净狷夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权云 洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 姗摊协文 学位论文作者签名：勿厄一厶 签字日翌叫年岁月多日 导师签名： 签字吼砷年月尹日 学位论文的主要创新点 一、在染色机上配置微机控制系统，能自动而准确地控制染色过程中 前处理升温保温降温热、冷水洗等工艺流程，满足工艺要求， 克服缸差、班差、色花等现象，提高生产的技术水平，保证产品质量。 二、染色机的控制系统采用铂电阻作为控制器的温度传感器，特别适 合单片机接口和工业控制，充分利用单片机的功能资源和温度传感器 的特性，实现了对温度、时间和其它受控对象的实时控制调节，使染 色机的功能、测控精度和可靠性比非微机控制的染色机有明显的提 高。 第一章绪论 1 1 相关背景综述 第一章绪论 早在六、七千年前的新石器时代，我们的祖先就能够用赤铁矿粉末将麻布染 成红色。居住在青海柴达木盆地诺木洪地区的原始部落，能把毛线染成黄、红、 褐、蓝等色，织出带有色彩条纹的毛布。 建国初期，我国的印染企业集中于”上青天”( 上海、肯岛、天津) 等地，并有 不少是从日本、英国等老牌资本家手中接管。印染技术当然也就集中在”上青天” 等地，沿用的也是日本、英国传统的印染技术。解放后，为解决数亿人口的穿衣 问题，印染业有了突飞猛进的发展。特别是在”大跃进”时期，一大批新型、大规 模的印染企业相继诞生。直到7 8 年、7 9 年两次”挖、革、改”以后，印染厂几乎 遍及神州，一个地区一个印染厂的模式基本形成( 特别是沿海地区) ，至今，已成 为世界第一的印染大国。 由于我国印染产品在国际市场上竞争力低下，出口的印染加工产品绝大多数 为中低档产品，虽然出口数量较大，但效益一般。国家每年都要花费大量外汇进 口服装面料。因此在一定范围和时期必然形成印染工业落后论。其实，传统的染 整工艺技术本身不属于高新技术产业范畴。但随着高新技术的发展，高新技术对 染整技术的渗透、嫁接，在装备上实现高速高效和自动化控制，在产品上实现高 附加值将所谓的夕阳产业转化为朝阳产业也不是没有可能。在印染行业，首先是 印染机械的自动化程度尚不及进口设备。特别是围绕工艺参数的自动控制仍少得 可怜。其次是与主机配套的另部件可靠性差、寿命短。特别是烘筒的进汽头、排 水阀，各种水汽的阀门，用于自控的传感器等等。 在世界信息化的浪潮中，随着电子技术的发展，计算机控制系统在越来越多 的产业中得到了前所未有的应用，同时这些设备具有抗干扰性强、可靠性强、体 积小、编程方便、便于修改、可兼容和可拓展等优点，构成功能完备的控制系统 在国外电脑测色配色系统应用很普遍，国内的针织、色织行业在这方面的应用也 已经走向成熟，虽然有些高新技术在产业化过程中尚有相当长的路要走，但已经 体现了无穷的生命力。 几千年来，中国的纺织品直是中国人的标志和骄傲之一。经历了手工生产 到机械化生产，再到电气化生产，现如今，纺织行业是中国重要支柱行业之一， 在国民经济中占据重要地们，具有相当的竞争实力，在新的世纪里，纺织行业也 天津工业大学硕士论文 将向着信息化逐步迈进。这个过程一方面要求我们行业从业者要不断更新观念， 主动学习、沟通和交流，在发展中不断自主创新，以新的技术和新的突破占领制 高点；另一方面我们也要正视国情和国力基础，充分挖掘自身潜力，不断改造和 更新原有设备，提高利用率。走符合国情的发展之路，纺织行业一定能再现辉煌1 1 2 研究的目的意义 纺织工业是中国国民经济的重要支柱产业之一，在印染行业染色机是应用极 其广泛的设备，广泛用于毛纺、色织、丝织等行业纺织材料的染色。染色质量的 好坏直接影响到纺织品的实物质量、产品风格与市场竞争力，因而染色机是这些 纺织厂生产中的关键设备。这种设备的整个染色过程主要是执行一条按温度和时 间原则组成的工艺曲线。在工艺曲线中既有多段不同速率的升温、保温、降温组 成的温度控制过程，又有包括进料、加水、排污等辅助工序的控制。用户精心设 计出许多先进实用的工艺曲线，要求工人认真操作、严格执行。整个操作过程需 要4 5 个小时且由于染色现场环境恶劣，在几个小时中完全凭经验判断和人工 操作来精确实现工艺曲线是相当困难的。对这种给定值变化的、对象特性有明显 变化的系统中有必要引入自适应系统。所以本课题运用自动控制原理，以单片微 型计算机技术为基础，设计一套染色机自动温控系统。这种系统具有体积小，价 格低，性能高的特点。与传统染色机相比，计算机控制下的染色过程各项参数更 加优秀，控制精度大幅提高，反应速度十分迅捷，并且技术可塑性强，可移植性 远远高于传统控制技术，同时还具有可靠性高，便于大批量生产的优势。特别适 用于现有设备的改造与更新。 2 第二章染色技术概况 2 1 简介 第二章染色技术概况 纺织材料用染浴处理，使染料和纤维发生化学或物理化学结合，或在纤维上 生成不溶性有色物质的工艺过程。染料应在纤维上有一定的耐水洗、晒、摩擦等 性能，这种性能称为染色牢度。纺织物的染色，历史悠久。诗经中有蓝草、 茜草染色的记载，可见中国在东周时期使用植物染料已较普遍。长沙马王堆汉墓 出土的绚丽多彩的丝织物，表明2 0 0 0 多年前中国的染色和印花技术已达到一个 定水平。染色分为浸染法和轧染法两种。 2 2 染色理论概述 把纤维浸入一定温度下的染料水溶液中，染料就从水相向纤维中移动，此时 水中的染料量逐渐减少，经过一段时间以后，就达到平衡状态。水中减少的染料， 就是向纤维上移动的染料。在任意时间取出纤维，即使绞拧，染料也仍留在纤维 中，并不能简单地使染料完全脱离纤维，这种染料结合在纤维中的现象，就称为 染色。 ( 1 ) 染色基本过程按照现代的染色理论的观点，染料之所以能够上染纤维， 并在纤维织物上具有一定牢度，是因为染料分子与纤维分子之间存在着各种引力 的缘故，各类染料的染色原理和染色工艺，因染料和纤维各自的特性而有很大差 别，不能一概而论，但就其染色过程而言，大致都可以分为三个基本阶段。 吸附：当纤维投入染浴以后，染料先扩散到纤维表面，然后渐渐地由溶液转 移到纤维表面，这个过程称为吸附。随着时间的推移，纤维上的染料浓度逐渐增 加，而溶液中的染料浓度却逐渐减少，经过一段时间后，达到平衡状态。吸附的 逆过程为解吸，在上染过程中吸附和解吸是同时存在的。 扩散：吸附在纤维表面的染料向纤维内部扩散，直到纤维各部分的染料浓度 趋向一致。由于吸附在纤维表面的染料浓度大于纤维内部的染料浓度，促使染料 由纤维表面向纤维内部扩散。此时，染料的扩散破坏了最初建立的吸附平衡，溶 液中的染料又会不断地吸附到纤维表面，吸附和解吸再次达到平衡。 固着：是染料与纤维结合的过程，随染料和纤维不同，其结合方式也各不相 同。 天津工业大学硕士论文 上述三个阶段在染色过程中往往是同时存在，不能截然分开。只是在染色的 某一段时间某个过程占优势而已。 ( 2 ) 染料在纤维内的固着方式，染料在纤维内固着，可认为是染料保持在 纤维上的过程。不同的染料与不同的纤维，它们之间固着的原理也不同，一般来 说，染料被固着在纤维上存在着两种类型。 纯粹化学性固色：指染料与纤维发生化学反应，而使染料固着在纤维上。 物理化学性固着：由于染料与纤维之间的相互吸引及氢键的形成，而使染料 固着在纤维上。许多染棉的染料，如直接染料、硫化染料、还原染料等都是依赖 这种引力而固着在纤维上的。 2 3 染色机系统结构 1 排压阀；2 压力传感器；3 旋圈位置传感器；4 旋圈汽缸：5 加压阀；6 冷 却水调节阀；7 蒸汽调节阀；8 排水阀；9 循环混流泵( 保持染液循环流动) ； 1 0 低水位传感器；1 1 冷凝水阀；1 2 温度传感器；1 3 高水位传感器；1 4 溢 流阀；1 5 开盖汽缸；1 6 开盖位置传感器；1 7 安全销位置传感器；1 8 汽缸 安全销；1 9 进水阀。 图2 - 1 系统结构图 图2 - 1 中左侧为染缸，右侧为染色用水的储水罐，染缸是主要控制对象。在 高温高压染色时，压力检测元件测量染缸压力，当压力不足时自动打开压缩空气 进气阀，送入压缩空气，直到压力达到设定值后，将进气阀关闭。在升温过程中 压力过高时排压阀打开自动排气，使压力不超过上限。染缸温度由铂电阻温度计 测量，经变送器输入微机a d 接口，微机经过控制算法运算后，由d a 接口经过 执行机构控制蒸汽阀门的开度，改变进入蛇管的蒸汽量，使染液的升温速度符合 4 第二章染色技术概况 编程设定的升温速度；在降温阶段，蛇管中通入冷水，由微机控制冷水阀的开度 使染液降温速度符合工艺要求。一般在温度小于8 7 左右并在压力降到规定值 时，系统才被允许进行开盖操作以保证安全生产。 2 4 染色工艺典型工艺曲线 图2 - 2 典型工艺曲线 从图2 2 可以看出，完成某种工艺流程的全过程，完成染色机缸内进水，染 色过程从室温开始加热，快速升温到l o o ，并保温l d , 时，再快速降温至7 0 c ， 水洗3 0 分钟，然后排放水6 分钟，结束。由以上数据可知，染色工艺过程在不同 时段要求严格的升、降温速率。 5 天津工业大学硕士论文 3 1 传感器的选用 第三章主要元器件选用 3 1 1 铂电阻温度传感器 温度是表征物体冷热程度的物理量，它可以通过物体随温度变化的某些特性 ( 如电阻、电压变化等特性) 来间接测量，通过研究发现，金属铂( 聃的电阻值 随温度变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制 成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为 l o o f 2 ，电阻变化率为0 3 8 5 1 d , 。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用 温度范围广，是中低温区( - 2 0 0 - - - , 6 5 0 c ) 最常用的一种温度检测器，不仅广泛 应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计( 涵盖国家和世界基准温度) 供计 量和校准使用。 在本系统中，铂电阻温度传感器测量的温度变化范围是一般的散纤维染色温 度变化范围，通常是2 0 到1 0 0 c ，为了提高系统冗余度，本系统实际的温度测 量范围是0 到1 2 8 。 按i e c 7 5 l 国际标准，温度系数t c r = o 0 0 3 8 5 1 ，p t l 0 0 ( r 0 = 1 0 0 f d 、p t l 0 0 0 ( r 0 = 1 0 0 0 d ) 为统一设计型铂电阻，铂电阻标准电阻值如表3 1 标准电阻值所 示。 表3 1 标准电阻值 1 0 0 。c 时标准电阻值 o 时标准电阻值k q r l o p p t l 0 01 0 0 0 01 3 8 5 1 p t l 0 0 01 0 0 0 0 1 3 8 5 1 ： 铂电阻传感器有良好的长期稳定性，典型实验数据为：在4 0 0 c 时持续3 0 0 小时，。0 时的最大温度漂移为0 0 2 ( 2 。 铂电阻温度传感器常规产品的测试电流：p t l 0 0 为l m a ，p t l 0 0 0 为0 5 m a ， 实际应用时测试电流不应超过允许值，例如p t l 0 0 当测试电流为l m a 时，温升 6 第三章主要元器件介绍 为o 0 5 ；当测试电流为5 m a 时，温升为2 2 0 ，并且自热温升的数据同产品的 结构也有很大的关系，如保护管的直径，内部填充物的种类，测试条件等。 铂电阻温度传感器的接线方式有两线制、三线制和四线制等，连接方式如图 3 1 二、三、四线制元件示意图所示。 两线制：传感器电阻变化值与连接导线电阻值共同构成传感器的输出值，由 于导线电阻带来的附加误差使实际测量值偏高，用于测量精度要求不高的场合， 并且导线的长度不宜过长。 三线制：三线制常用接线图如图3 - 2 所示。要求引出的三根导线截面积和 长度均相同，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂 电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与 其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，通过计算可知，r t = r 1 r 3 r 2 + r l r r 2 r ，当r i = r 2 时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来 的测量误差，但是必须为全等臂电桥，否则不可能完全消除导线电阻的影响，但 分析可见，采用三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差，工业上一般都采用 三线制接法，因而本设计采用此类接法。 图3 - 1 二、三、四线制元件示意图 图3 - 2 三线制常用接线图 四线制：当测量电阻数值很小时，测试线的电阻可能引入明显误差，四线测 量用两条附加测试线提供恒定电流，另两条测试线测量未知电阻的电压降，在电 压表输入阻抗足够高的条件下，电流几乎不流过电压表，这样就可以精确测量未 知电阻上的压降，通过计算得出电阻值。 保护管的作用是为了保护温度传感器感温元件，不使其与被测介质直接接 7 天津工业大学硕士论文 触，避免或减少有害介质的侵蚀，火焰和气流的冲刷和辐射，以及机械损伤，同 时还起着固定和支撑传感器感温元件的作用。在轻微腐蚀和一般工业应用中，3 0 4 和3 1 6 ( 3 1 6 l ) 是用得最为广泛的不锈钢保护管材料，在我国由于考虑成本，3 2 1 不锈钢也被大量使用。常用不锈钢保护管特性本文不再叙述。 温度传感器在测量过程中的主要误差来源：传感器对分度表的误差；绝缘不 良引起的误差；线路电阻引起的误差；测量仪表的误差以及传热误差、动态相应 误差、干扰误差等。其中有些误差是在一定条件下才会出现，并且通过一定措施 是可以消除和减小的。 与铜电阻相比，铂电阻测量精度高，稳定性好，但线性度略差。为了减小系 统误差，在使用时往往需要采取一些补偿手段。过去常常采用的方法是在传感器 放大电路之后加入一级非线性校正电路，其设计繁琐，补偿精度不高，受环境影 响大。所以现在多采用数字非线性补偿法，具体做法是将校正参数存储于存储器 中，测量时计算机通过查表来校正输入参数，达到校正目的。这种方法具有适用 范围广、校正精度高、成本低和修改方便等诸多优势，故为本系统所采用。本设 计所采用的p t l 0 0 铂电阻温度传感器具体电阻与温度的变化关系见表3 2 铂 电阻温度传感器分度表。 第三章主要元器件介绍 表3 2 铂电阻温度传感器分度表 温 o i 1 23456789 度 电阻值( q ) 01 0 0 o o1 0 0 3 91 0 0 7 81 0 1 1 71 0 1 5 61 0 1 9 51 0 2 3 41 0 2 7 31 0 3 1 21 0 3 5 1 1 01 0 3 9 01 0 4 2 91 0 4 6 81 0 5 0 71 0 5 4 61 0 5 8 51 0 6 2 41 0 6 6 31 0 7 0 21 0 7 4 0 2 01 0 7 7 91 0 8 1 81 0 8 5 71 0 8 9 61 0 9 3 51 0 9 7 3l l o 1 2l l o 5 11 1 0 9 01 1 1 2 9 3 01 1 1 6 71 1 2 0 61 1 2 4 51 1 2 8 3 1 1 3 2 2 1 1 3 6 l1 1 4 o o 1 1 4 3 81 1 4 7 71 1 5 1 5 4 01 1 5 5 4 1 1 5 9 31 1 6 3 l1 1 6 7 0 1 1 7 0 81 1 7 4 71 1 7 8 61 1 8 2 41 1 8 6 31 1 9 o l 5 01 1 9 4 01 1 9 7 81 2 0 1 71 2 0 5 51 2 0 9 41 2 1 3 2 1 2 1 7 11 2 2 0 91 2 2 4 71 2 2 8 6 6 0 1 2 3 2 4 1 2 3 6 31 2 4 0 1 1 2 4 3 9 1 2 4 7 8 1 2 5 1 61 2 5 5 41 2 5 9 31 2 6 3 11 2 6 6 9 7 01 2 7 0 81 2 7 4 61 2 7 8 41 2 8 2 21 2 8 6 l1 2 8 9 91 2 9 3 71 2 9 7 51 3 0 1 31 3 0 5 2 8 01 3 0 9 01 3 1 2 81 3 1 6 61 3 2 0 41 3 2 4 21 3 2 8 01 3 3 1 81 3 3 5 71 3 3 9 51 3 4 3 3 9 01 3 4 7 l1 3 5 0 91 3 5 4 71 3 5 8 51 3 6 2 31 3 6 6 l1 3 6 9 91 3 7 3 71 3 7 7 51 3 8 1 3 1 0 01 3 8 5 l1 3 8 8 81 3 9 2 61 3 9 6 41 4 0 0 21 4 0 4 01 4 0 7 81 4 1 1 61 4 1 5 41 4 1 9 l 1 1 01 4 2 2 91 4 2 6 71 4 3 0 51 4 3 4 31 4 3 8 01 4 4 1 81 4 4 5 61 4 4 9 41 4 5 3 l1 4 5 6 9 1 2 01 4 6 0 71 4 6 4 41 4 6 8 21 4 7 2 01 4 7 5 71 4 7 9 51 4 8 3 31 4 8 7 0 1 4 9 0 81 4 9 4 6 1 3 01 4 9 8 3 1 5 0 2 l1 5 0 5 81 5 0 9 61 5 1 3 31 5 1 7 11 5 2 0 81 5 2 4 61 5 2 8 31 5 3 2 l 1 4 01 5 3 5 81 5 3 9 61 5 4 3 31 5 4 7 11 5 5 0 81 5 5 4 61 5 5 8 31 5 6 2 01 5 6 5 81 5 6 9 5 具体工作过程是当染色机内染液温度变化时，p t l 0 0 温度传感器电阻随之改 变，电压信号经桥路输出至运算放大器，再进入a d 转换器，被c p u 读取，再与 机内存储的线性偏差修正表对照，计算出温度值。 3 1 2 霍尔集成开关传感器c s 8 3 9 霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。它可以直 接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。目前 霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视， 应用日益广泛。这里霍尔传感器用来测量染色机染缸内的液位高度，当染缸内水 位分别为为高水位和低水位时给单片机提供一个报警信号。 霍尔集成开关传感器c s 8 3 9 是一种无触电、双路输出的磁敏器件是利用霍尔 效应和集成电路技术制成的半导体磁电转换器件，也是当前敏感器件集成化的_ 种典型芯片。c s 8 3 9 传感器输入为磁感应强度，输出为数字量，可直接驱动儿、 c m o s 等集成电路，也可以馈入单片机进行处理。 9 天津工业大学硕士论文 稳压电源 霍尔元件放大器施密特输出级 触发器 图3 3 霍尔集成开关传感器c s 8 3 9 内部功能框图 v c c 0 l 输出 0 2 接地 c s 8 3 9 霍尔开关传感器由霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和输出级电 路组成，其内部结构和引脚图如图3 3 霍尔集成开关传感器c s 8 3 9 1 为部功能框图 所示。图中，v c c 为引脚1 ，接+ 1 8 v 电源；引脚4 为接地端；引脚2 ( 0 1 ) 和引脚 3 ( 0 2 ) 为输出端，其它如图3 3霍尔集成开关传感器c s 8 3 9 1 为部功能框图所示。 图3 - 4c s 8 3 9 检测染液液位示意图 输出 本设计中，c s 8 3 9 用法如图3 4 所示，浮子可随染缸中染液液面的上升下降而 运动，浮子上装有永磁铁。两个霍尔传感器i - i j ( c s 8 3 9 ) 安装在容器外部，永磁 铁产生的磁力线可以透过容器壁使传感器工作。当液面升高至上限位置时。一号 h j 工作，使其输出端产生高电平信号；同理，当液面下降至下限位置时二号h j 1 0 第三章主要元器件介绍 工作，产生高电平信号。输出信号送至单片机，利用单片机内部的定时器间隔查 询，就完成了液面的监测工作。 同时考虑到工作时染缸内复杂的状况( 液体因搅拌流动，散出的纤维等) ， 浮子在实际应用时应该安装在垂直的滑竿或者打孔的圆筒内。液位检测精度不是 本系统的主要指标之一，所以为简化系统，减少成本，只检测上限和下限的警戒 水位。 3 2 相关芯片选用及其引脚功能 3 2 18 0 3 1 单片机简介及其引脚功能 单片微型计算机是微型计算的一个重要分支，也是一种非常活跃且颇具生命 力的机种。按照c p u 对数据处理的位数来分析，单片机可以分为4 位单片机、8 位单片机、1 6 位单片机、3 2 位单片机。迄今为止，单片机的制造商有很多，主要 有美国的i n t e l 、m o t o r o l a 、z i l o g 、n s 、m i c r o c h i p 、a t m e l 和t i 公司。日本的n e c 、 t o s h i b a 、f u j i t s u 和h i t a c h i 公司，荷兰的p h i l i p s 、英国的i n m o s 和德国的s i e m e n s 公 司，等等。目前市1 6 位、3 2 位单片机的应用越来越广泛，但8 位单片机仍然占据 着相当重要的地位，其具有技术成熟、可靠性高、成本低的优势，并且在某些领 域对c p u 性能要求不是很高的情况下，出于对性价比的考虑，仍然选用8 位单片 机，本设计选用的就是i n t e l 公司的8 0 31 单片机。 阳删n v c c ：+ 5 v 电源电压。 图3 58 0 3 1 单片机引脚图 耋萝量孽 譬善童i 暮王 譬毒垂a 釜 塞耋堇堇萋 翻啊m h d 懈i n c o l 嘲嗍嗍嘲坩棚_鹏岬 一一一一一哪一一一 测鬣耐卿罂搿璺 天津工业大学硕士论文 v s s - 电路接地端。 p 0 0 - , p 0 7 ：通道0 ，它是8 位漏极开路的双向i o 通道，当扩展外部存贮器时， 这也是低八位地址和数据总线。 p 1 0 - - - - p 1 7 ：通道1 是8 位双向v o 通道，在编程和校验时，它发出低8 位地址。 p 2 0 - - - p 2 7 - 通道2 是8 位双向i o 通道，当访问外部存贮器时，用作高8 位地 址总线。 p 3 0 p 3 7 - 通道3 准双向i o 通道。p 3 通道的每一根线还有另一种功能： p 3 0 ：r x d ，串行输入口。 p 3 1 ：t x d ，串行输出口。 p 3 2 - i n t 0 ，外部中断0 输入口。 p 3 3 ：i n t l ，外部中断1 输入口。 p 3 4 ：t o ，定时器计数器o 外部事件脉冲输入端。 p 3 5 ：t 1 ，定时器计数器1 外部事件脉冲输入端 p 3 6 ：w r ，外部数据存贮器写脉冲。 p 3 7 ：r d ，外部数据存贮器读脉冲。 r s t 厂v p d ：引脚9 ，复位输入信号，振荡器工作时，该引脚上2 个机器周期的 高电平可以实现复位操作，在掉电情况下( v c c 降到操作允许限度以下) ，后备 电源加到此引脚，将只给片内r a m 供电。 a l 阶r o g ：引脚3 0 ，地址锁存有效信号，其主要作用是提供一个适当的定 时信号，在它的下降沿用于外部程序存储器或外部数据存贮器的低8 位地址锁存， 使总线p o 输出输入口分时用作地址总线( 低8 位) 和数据总线，此信号每个机器 出现2 次，只是在访问外部数据存储器期间才不输出a l e 。所以，在任何不使用 外部数据存贮器的系统中，a l e 以1 6 振荡频率的固定速率输出，因而它能用作 外部时钟或定时。 p s e n ：引脚2 9 ，程序选通有效信号，当从外部程序存贮器读取指令时产生， 低电平时，指令寄存器的内容读到数据总线上。 e a v p p ：引脚3 l ，当保持”巴高电平时，如果指令计数器小于4 0 9 6 ，8 0 5 1 执行内部r o m 的指令，由于8 0 3 1 单片机没有内部r o m 故此端接地，只使用外部 r o m 。 x t a l l x t a l 2 ：引脚1 8 1 9 ，内部振荡器外接晶振的输入端。 3 2 2 逐次比较型a d 转换器a d c 0 8 0 9 简介 a d 转换器是一种能把输入模拟电压或电流变成与它成正比的数字量，即能 把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。a d 转换器种类很 多，但从原理上通常可以分为一下四种：计数器式a d 转换器，双积分式a d 转 1 2 第三章主要元器件介绍 换器，逐次逼近式a d 转换器和并行a d 转换器。 逐次比较型加由一个比较器和d a 转换器通过逐次比较逻辑构成，从m s b 开始，顺序地对每一位将输入电压与内置d a 转换器输出进行比较，经n 次比较 而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辨率 ( 1 2 位) 时价格很高。逐次逼近式a d 转换器 也称为连续比较式a d 转换器。这是一种对分搜索原理来实现a d 转换的方法， 逻辑框图如图3 6 所示。其中v x 为a d 转换器被转换的模拟输入电压；v s 是n 位 d a 转换网络”的输出电压，其值由“n 位寄存器”中的内容决定，受控制电路控制； 比较起对v x 和v s 电压进行比较，并把比较结果送给“控制电路”。整个a d 转换是 在逐次比较过程中形成的，形成的数字量存放在n 位寄存器中，先形成最高位， 然后是次高位，一位一位地最后形成最低位。现对它工作过程分析如下。 图3 - 6 逐次逼近式a d 转换器示意框图 “控制的电路”从“启动”输入端收到c p u 送来的“启动”脉冲，然后开始工作。 “控制电路”工作后便式n 位存储器”中的最高位置“1 ”，其余位清零，n 位d a 转 换网络”根据“n 位寄存器”中的内容产生v s 电压，其值为满量程v x 的一半，并送 入比较器进行比较。若v x 大于或等于v s ，则比较器输出逻辑“1 ”，通过“控制电 路”使“n 位寄存器”中最高位的“l ”保留，表示输入模拟电压v x 比满量程的一半还 大：若v x d 于v s ，则比较器通过控制电路使n 位寄存器的最高位复位，表示v x 比满量程的一半还小。这样，a d 转换的最高位数字量就形成了。因此，控制电 路依次对n 1 、n 2 、n 3 、n ( n - 1 ) 位重复上述过程，就可以使“n 位寄存器 中得到和模拟电压v x 相对应的数字量。“控制电路”在a d 转换完成后还自动使 d o n e 变为高电平。c p u 查询d 0 1 屺引脚上的状态( 或作为中断请求) 就可以从 天津工业大学硕士论文 a d 转换器提取a d 转换后的数字量。 ( 1 ) 分辨率：指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻 度与2 n 的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。 ( 2 ) 转换速率：指完成一次从模拟转换到数字的a d 转换所需的时间的倒数。 积分型a d 的转换时间是毫秒级属低速a d ，逐次比较型a d 是微秒级属中速a d ， 全并行串并行型a d 可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换 的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率必须小于或等于转换速率。因此有 人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是k s p s 和m s p s ，表示每秒采样千百万次。 ( 3 ) 量化误差：由于a d 的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率a d 的 阶梯状转移特性曲线与无限分辨率a d ( 理想a d ) 的转移特性曲线( 直线) 之间 的最大偏差。 3 2 3a d c 0 8 0 9 引脚功能 a d c 0 8 0 9 ：a d c 0 8 0 9 是采样频率为8 位的、以逐次逼近原理进行模数转换 的器件。其内部有一个8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号， 只选通8 个单断模拟输入信号中的一个进行a d 转换。其内部原理及管脚如图3 7 a d c 0 8 0 9 内部结构图及引脚图所示。 d 岛 d i 王i l 措 d t i - d t l i d 如 d i - d 图3 7a d c 0 8 0 9 内部结构图及引脚图 i n 7 - i n o 模拟量输入通道 a l e ：地址锁存允许信号。对应a l e 上跳沿，a 、b 、c 地址状态送入地址 锁存器中。 s t a r t ：转换启动信号。s t a r t 上升沿时，复位a d c 0 8 0 9 ；s t a r t 下降 沿时启动芯片，开始进行a d 转换；在a d 转换期间，。s t a r t 应保持低电平。 本信号有时简写为s t 。 a 、b 、c ：地址线。通道端口选择线，a 为低地址，c 为高地址，引脚图中 1 4 肌脯一一舭跏巩m仇队m 第三章主要元器件介绍 为a d d a ，a d d b 和a d d c 。地址锁存与译码电路完成对a 、b 、c 三个地址位进 行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、 输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表3 8 为通道选择表。 表3 8 通道选择表 被选择的通道 烈0 i n l 斟2 m 3 烈4 烈5 i n 6 i n 7 c l k ：时钟信号。a d c 0 8 0 9 的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提 供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为5 0 0 k h z 的时钟信号。 e o c ：转换结束信号。e o c = 0 ，正在进行转换；e o c = i ，转换结束。使用中 该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。 d 7 d o ：数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相 连。d o 为最低位，d 7 为最高。 o e - 输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数 据。o e = 0 ，输出数据线呈高阻；o e = i ，输出转换得到的数据。 v c c ：+ 5 v 电源。 v r e f ：参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近 的基准。其典型值y g + 5 v ( v r e f ( + ) ：+ 5 v ，v r e f ( ) = - 5 v ) 。 a d 转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题 是如何确认a d 转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采 用下述三种方式。 ( 1 ) 定时传送方式 对于一种a d 转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。 例如a d c 0 8 0 9 转换时间为1 2 8 9 s ，相当于6 m h z 的m c s 5 1 单片机共6 4 个机器 周期。可据此设计一个延时子程序，a d 转换启动后即调用此子程序，延迟时间 一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。 ( 2 ) 查询方式 a d 转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如a d c 0 8 0 9 的e o c 端。因此 可以用查询方式，测试e o c 的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据 传送。 a o l o l o l 0 l b o o 1 l o o l l c 0 0 0 0 l l l 1 天津工业大学硕士论文 ( 3 ) 中断方式 把表明转换完成的状态信号( e o c ) 作为中断请求信号，以中断方式进行数 据传送。 3 2 42 7 6 4 简介及其引脚功能 i n t e l 2 7 6 4 是一种+ 5 v 的8 k bu v e p r o m 存储芯片，采用h m o s 工艺制成， 标准存取时间为2 5 0 n s ，2 7 是系列号，6 4 和存储容量有关。2 7 6 4 的引脚图如图 3 8 只读存储器2 7 6 4 引脚图所示。 v 2 8 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 m 2 7 6 4 a 2 2 2 1 2 0 1 9 1 8 1 7 1 6 1 5 图3 - 8 只读存储器2 7 6 4 引脚图 a 1 2 - - 一a 0 ：1 3 条地址线，用于传送单片机传来的地址编码信号，表示有2 个地址单元。 q 7 q 0 ：双向数据总线，q 7 是最高位。在正常工作时，q 7 q 0 用于传送 从2 7 6 4 读出的数据或程序代码；在编程方式时用于传送需要写入的编程代码。 a l e c e ：片选控制输入端，低电平有效。 o e ： 读出控制输入端，低电平有效。 v c c ： 工作电源+ 5 v 。 v p p ：编程电源+ 5 v ，编程校验状态+ 2 1 v 。 p r g ：该输入线用于控制2 7 6 4 处于正常工作状态还是编程校验状态。若 给它输入一个t t l 高电平，则2 7 6 4 处于正常工作状态；若给其输入一个5 0 m s 宽的负脉冲，则2 7 6 4 配合v p p 引脚上的2 1 v 高压可以处于编程状态。 g n d ：芯片接地端。 n c ：为空线。 2 7 6 4 共有2 种工作方式和五种工作状态，究竟处于哪一种工作方式和状态 1 6 塑p船舶g ole：3 ，2 3 4 5 6 7 8 9 竹”惶侣 即m灯：舳m肥舵朋舶刚；弓 p v 第三章主要元器件介绍 下工作是由2 7 6 4 的控制和电源线上的信号决定的。表3 - 92 7 6 4 工作方式选择 表列出的2 7 6 4 的工作状态和相应引脚线上的电平的关系。 工作方式 读出 维持 编程 编程校验 禁止编程 表3 - 92 7 6 4 工作方式选择表 引脚 西而 v p pv c c q 7 - q 0 吃 v c cv c c 输出 v c cv c c 高阻 编程负脉 v p pv c c 输入 吒 v p pv c c 输出 v p pv c c 高阻 其五种工作状态分析如下： ( 1 ) 读出和维持状态。这两种工作状态实际上是2 7 6 4 在正常工作时的两种 不可缺少的状态，因此v p p 和v c c 都必须接+ 5 v 电源。读出和维持状态主要 由西上的电平决定，若万接1 几低电平，则本芯片被选中工作，数据线q 7 q 0 上便可读出a 1 2 a 0 上地址码所决定存储单元中的程序代码；若西为t t l 高电平，则本芯片不工作，处于维持状态，q 7 - - 一q 0 为高阻，芯片的有效功耗叶 丛读出状态时的1 0 0 m a 降到4 0 m a 。 ( 2 ) 编程和禁止状态。这两种状态都要求v p p 接+ 2 1 v 电源( v c c 接+ 5 v ) 。 编程和禁止编程主要也是由西上的电平决定的：若西接t t l 低电平，则本芯 片被选中编程，数据线q 7 - -